薄膜晶體管與其制造方法及具有其的陣列基板和顯示裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種薄膜晶體管與其制造方法及具有其的陣列基板和顯示裝置。在薄膜晶體管金屬氧化物半導(dǎo)體層的上方形成一層金屬圖案層，以隔絕外界水、氧與光對金屬氧化物半導(dǎo)體層的影響。
【專利說明】薄膜晶體管與其制造方法及具有其的陣列基板和顯示裝置【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是有關(guān)于一種半導(dǎo)體元件及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)液晶顯示器的薄膜晶體管(thin film transistor;TFT)中半導(dǎo)體金屬氧化物半導(dǎo)體層的材料，主要是使用氫化非晶娃(hydrogenated amorphous silicon, a_S1:H)。由于氫化非晶硅的一些缺點(diǎn)，例如低載子遷移率(0.Ι-l.0cmVVs)、光敏感性、低化學(xué)穩(wěn)定性，使得應(yīng)用激光進(jìn)行低溫退火制程所形成的低溫多晶硅(low temperaturepolysilicon ；LTPS)材料又開始取而代之。低溫多晶硅雖然改善了氫化非晶硅的低載子遷移率的問題，可使遷移率達(dá)100 - 200cm2/Vs，并有良好的電穩(wěn)定性，但是有起始電壓飄移以及制程復(fù)雜與成本昂貴的缺點(diǎn)。[0003]近年來，由于透明氧化物半導(dǎo)體(transparent oxide semiconductor;T0S)的高透光性、寬能隙、高載子遷移率、易于制備等優(yōu)點(diǎn)，因此成為科學(xué)家廣為研究的對象。若將透明氧化物半導(dǎo)體應(yīng)用在薄膜晶體管中金屬氧化物半導(dǎo)體層的制造上，除了可增加開口率、提高背光的利用效率、降低耗電量之外，還可縮小單一像素的面積，增加顯示器的解析度。
[0004]以N 型非晶氧化銦嫁鋒(indium gallium zinc oxide ；IGZ0)為例，與 a_Si TFT相比，a-1GZO TFT的載子遷移率約為a_Si TFT的20 - 50倍，且a_IGZ0 TFT的導(dǎo)通電流約為a-Si TFT的20倍。因此a-1GZO TFT的耗電量遠(yuǎn)小于a_Si TFT。
[0005]但是，目前研究指出水、氧與光和a-1GZ0薄膜的接觸將影響TFT元件的特性，因此保護(hù)a-1GZ0薄膜成為一個(gè)重要的議題。目前,TFT保護(hù)層(passivation layer)多使用氧化硅或氮化硅薄膜來防止水氧的滲透與隔絕光的影響。但是，氧化硅或氮化硅薄膜并無法有效地阻擋可見光至紫外光波段的光線與a-1GZ0薄膜接觸，因此成為一個(gè)亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]因此，本發(fā)明的一方面是在提供一種薄膜晶體管，其包括柵極、柵絕緣層、金屬氧化物半導(dǎo)體層、絕緣層、源極、漏極與金屬圖案層。其中源極與漏極位于金屬氧化物半導(dǎo)體層的兩側(cè)，且連接于金屬氧化物半導(dǎo)體層。絕緣層位于金屬氧化物半導(dǎo)體層之上。金屬圖案層位于絕緣層之上，且與源極及漏極之間分別具有一開口，以暴露一部分的金屬氧化物半導(dǎo)體層。
[0007]依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例，其中被開口所暴露的金屬氧化物半導(dǎo)體層的氧空缺密度大于被覆蓋部分的金屬氧化物半導(dǎo)體層的氧空缺密度。
[0008]依據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例，上述金屬圖案層的材料為鋁、銅、鈦、鑰或鉻化鑰。
[0009]依據(jù)本發(fā)明再一實(shí)施例，上述薄膜晶體管還包括覆蓋源極、漏極、金屬圖案層與金屬氧化物半導(dǎo)體層上的一保護(hù)層。
[0010]本發(fā)明的一方面是在提供上述薄膜晶體管的制造方法，其包括下述步驟。在基底上依序形成柵極、柵絕緣層、金屬氧化物半導(dǎo)體層、絕緣層與金屬層。然后，圖案化金屬層，以同時(shí)形成源極與漏極于金屬氧化物半導(dǎo)體層的兩側(cè)，并形成一金屬圖案層于絕緣層之上。其中，金屬圖案層與源極及漏極之間分別具有一開口，以暴露一部分金屬氧化物半導(dǎo)體層。
[0011]依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例，上述薄膜晶體管還包括一保護(hù)層覆蓋源極、漏極、金屬圖案層與金屬氧化物半導(dǎo)體層。
[0012]依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例，上述薄膜晶體管制造方法還包括于圖案化金屬層的步驟的前執(zhí)行一熱退火制程。
[0013]依據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例，上述形成保護(hù)層步驟包括執(zhí)行一等離子轟擊制程，以使被開口暴露部分的金屬氧化物半導(dǎo)體層的氧空缺密度大于未被開口暴露的其余金屬氧化物半導(dǎo)體層的氧空缺密度。
[0014]依據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例，上述薄膜晶體管制造方法還包括于圖案化金屬層的步驟與形成保護(hù)層的步驟之間執(zhí)行一熱退火制程。
[0015]依據(jù)本發(fā)明再一實(shí)施例，上述圖案化金屬層步驟包括執(zhí)行一蝕刻制程，以使被開口暴露部分的金屬氧化物半導(dǎo)體層的氧空缺密度大于未被開口暴露的其余金屬氧化物半導(dǎo)體層的氧空缺密度。
[0016]本發(fā)明的另一方面為提供一種陣列基板，其包括基底與位于基底上的上述薄膜晶體管。
[0017]本發(fā)明的又一方面為提供一種顯示裝置，其包括上述的陣列基板、對向基板與位于二基板間的顯示層。
[0018]上述
【發(fā)明內(nèi)容】
旨在提供本發(fā)明的簡化摘要，以使閱讀者對本發(fā)明具備基本的理解。此
【發(fā)明內(nèi)容】
并非本發(fā)明的完整概述，且其用意并非在指出本發(fā)明實(shí)施例的重要/關(guān)鍵元件或界定本發(fā)明的范圍。在參閱下文實(shí)施方式后，本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識(shí)者當(dāng)可輕易了解本發(fā)明的基本精神及其他發(fā)明目的，以及本發(fā)明所采用的技術(shù)手段與實(shí)施態(tài)樣。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征、優(yōu)點(diǎn)與實(shí)施例能更明顯易懂，所附附圖的說明如下:
[0020]圖1A-圖1B是依照本發(fā)明一實(shí)施方式的一種薄膜晶體管的制造流程剖面圖；
[0021]圖2為一顯示裝置的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]【主要元件符號(hào)說明】
[0023]110:基底
[0024]120:柵極
[0025]130:柵絕緣層
[0026]140、140a、145:金屬氧化物半導(dǎo)體層
[0027]150:絕緣層
[0028]160:金屬層
[0029]160a:源極[0030]160b:漏極
[0031]160c:金屬圖案層
[0032]165:開口
[0033]170:保護(hù)層
[0034]200:顯示裝置
[0035]210:陣列基板
[0036]220:對向基板
[0037]230:顯示層
【具體實(shí)施方式】
[0038]依據(jù)上述，提供一種薄膜晶體管與其制造方法。在下面的敘述中，將會(huì)介紹上述的薄膜晶體管的例示結(jié)構(gòu)與其例示的制造方法。為了容易了解所述實(shí)施例之故，下面將會(huì)提供不少技術(shù)細(xì)節(jié)。當(dāng)然，并不是所有的實(shí)施例皆需要這些技術(shù)細(xì)節(jié)。同時(shí)，一些廣為人知的結(jié)構(gòu)或元件，僅會(huì)以示意的方式在附圖中繪出，以適當(dāng)?shù)睾喕綀D內(nèi)容。
[0039]請參照圖1A-圖1B，其繪示依照本發(fā)明一實(shí)施方式的一種薄膜晶體管的制造流程剖面圖。在圖1A中，在基底110上依序形成柵極120、柵絕緣層130、金屬氧化物半導(dǎo)體層140、絕緣層150與金屬層160。其中，金屬氧化物半導(dǎo)體層140與絕緣層150皆位于柵極120的正上方。
[0040]上述柵極120的材料可為摻雜半導(dǎo)體材料或是金屬材料。柵極120的形成方法例如可為化學(xué)氣相沉積法或物理氣相沉積法，然后再執(zhí)行微影與蝕刻的步驟。
[0041]上述柵絕緣層130的材料例如可為氧化硅、氮化硅或其他具有高介電常數(shù)的金屬氧化物。在此所謂的“高介電常數(shù)”之意，是指材料的介電常數(shù)比氧化硅的介電常數(shù)高。柵絕緣層130的形成方法例如可為化學(xué)氣相沉積法或物理氣相沉積法。
[0042]上述金屬氧化物半導(dǎo)體層140的材料例如可為氧化銦鎵鋅(IGZO)、氧化銦鎵(IGO)或氧化銦鋅(IZO)。金屬氧化物半導(dǎo)體層140的形成方法例如可先用濺鍍法形成一層金屬氧化物半導(dǎo)體薄膜，然后使用微影蝕刻法來圖案化此半導(dǎo)體薄膜，形成金屬氧化物半導(dǎo)體層140。
[0043]上述絕緣層150的材料，例如可為氧化硅、氮化硅，或其他可用的介電材料。絕緣層150的形成方法例如可先以化學(xué)氣相沉積法形成一層絕緣薄膜，然后再進(jìn)行微影蝕刻制程來圖案化此絕緣薄膜，形成絕緣層150。
[0044]上述的金屬層160的材料例如可為鋁、銅、鈦、鑰或鉻化鑰。金屬層160的形成方法例如可為物理氣相沉積法。
[0045]在圖1B中，先圖案化金屬層160,以分別形成一源極160a與一漏極160b于金屬氧化物半導(dǎo)體層140的兩側(cè)，并形成一金屬圖案層160c于絕緣層150上，其中源極160a與漏極160b連接于金屬氧化物半導(dǎo)體層140,且金屬圖案層160c與源極160a及漏極160b之間分別具有一開口 165,以暴露一部分金屬氧化物半導(dǎo)體層145。圖案化金屬層160的方法包括依序進(jìn)行微影制程與蝕刻制程，而金屬層160的蝕刻法可為濕蝕刻法或干蝕刻法。
[0046]以金屬鋁來說，其濕蝕刻法所用的蝕刻液可為磷酸(H3PO3)、醋酸(CH3COOH)與硝酸(HNO3)的混合溶液，而其干蝕刻法所用的蝕刻等離子氣體源例如可為氯化硼(BCl3)與氯氣(Cl2)的混合氣體。其他金屬的濕蝕刻液可以使用各種酸溶液，例如可為磷酸溶液、醋酸溶液、硝酸溶液、鹽酸溶液、草酸溶液、雙氧水或上述的任意可用組合。而其他金屬可用的蝕刻等離子氣體源例如可為BC13、Cl2, SF6, CF4, CCl4, H2或上述的任意可用混合氣體。
[0047]接著，形成一層保護(hù)層170，覆蓋源極160a、漏極160b、金屬圖案層160c與金屬氧化物半導(dǎo)體層140上。上述的保護(hù)層170的材料例如可為介電材料，常見的可用介電材料例如有氧化娃、氮化娃、氧化鈦、氧化招或氧化鉿。
[0048]氧化硅層與氮化硅層的形成方法，例如可為等離子增強(qiáng)式化學(xué)氣相沉積法(PECVD)、派鍍法、電子束蒸鍍法、原子層沉積法(atomic layer deposition ;ALD)或熱蒸鍍法。而氧化鈦層、氧化鋁層與氧化鉿層的形成方法例如可為濺鍍法、電子束蒸鍍法、原子層沉積法或熱蒸鍍法。
[0049]在圖1B中，不論是金屬層160蝕刻制程中的蝕刻液或蝕刻等離子，以及保護(hù)層170沉積制程中的等離子、熱或其他“高能”因素，皆可增加被開口 165暴露出來的金屬氧化物半導(dǎo)體層145的氧空缺密度，進(jìn)而增加金屬氧化物半導(dǎo)體層145的導(dǎo)電度。
[0050]例如以蝕刻等離子或沉積等離子來說，由于等離子中的帶電物種具有一定的動(dòng)能，因此在撞擊到暴露出的金屬氧化物半導(dǎo)體層140的表面時(shí)，有可能會(huì)因而將金屬氧化物半導(dǎo)體層140內(nèi)的氧原子撞擊出來，而增加金屬氧化物半導(dǎo)體層140內(nèi)的氧空缺，形成氧空缺密度較大的金屬氧化物半導(dǎo)體層145。
[0051]又例如以保護(hù)層170的沉積來說，當(dāng)保護(hù)層170的材料為氧化硅或氮化硅時(shí)，可以選擇含氫量較多的氣體，做為化學(xué)氣相沉積法的反應(yīng)氣體，也有利于增加金屬氧化物半導(dǎo)體層140內(nèi)的氧空缺。
[0052]因此，在本實(shí)施例中，可透過圖案化金屬層160的步驟執(zhí)行一蝕刻制程，以使被所述開口 165暴露的部分金屬氧化物半導(dǎo)體層145的氧空缺密度大于未被所述開口 165暴露的其余該金屬氧化物半導(dǎo)體層140的氧空缺密度。而在其他實(shí)施例中，亦可透過形成保護(hù)層170的步驟執(zhí)行一等離子轟擊制程，以使被所述開口 165暴露的部分金屬氧化物半導(dǎo)體層145的氧空缺密度大于未被所述開口 165暴露的其余金屬氧化物半導(dǎo)體層140的氧空缺
山/又ο
[0053]所以，金屬氧化物半導(dǎo)體層145可以視為源極160a與漏極160b的向內(nèi)延伸，縮短了源極160a與漏極160b之間的通道長度，讓通道長度仍然維持與絕緣層150的寬度約略相同的長度。而金屬材料的金屬圖案層160c位于做為通道用的金屬氧化物半導(dǎo)體層140a的上方，可以利用金屬材料的致密特性來隔絕外界水與氧對金屬氧化物半導(dǎo)體層140a的影響。而且，由于金屬材料具有大量的自由電子，因此可直接反射光(光屬于電磁波)而有效地阻止光穿透金屬氧化物半導(dǎo)體層140a。此外，在金屬圖案層160c與導(dǎo)體化的金屬氧化物半導(dǎo)體層145之間，由于間隔了絕緣層150，因此兩者間并沒有導(dǎo)通，仍是處于彼此絕緣的狀態(tài)而不會(huì)有漏電的問題。
[0054]此外，金屬氧化物半導(dǎo)體層140常會(huì)需要進(jìn)行熱退火制程，以調(diào)整金屬氧化物半導(dǎo)體層140內(nèi)氧空缺的密度與分布，增加金屬氧化物半導(dǎo)體層140的穩(wěn)定性。因此，若要執(zhí)行熱退火制程，需要在保護(hù)層170的沉積步驟之前執(zhí)行。例如，可以在圖案化金屬層160的步驟前執(zhí)行熱退火制程，或是在圖案化金屬層160的蝕刻步驟與形成保護(hù)層170的沉積步驟之間執(zhí)行熱退火制程。[0055]由于所得薄膜晶體管100的柵極120與金屬圖案層150的材料皆為導(dǎo)體，且分別位于做為源極160a與漏極160b間通道的金屬氧化物半導(dǎo)體層140a的上下兩側(cè)，因此在應(yīng)用上也可以讓金屬圖案層150做為第二柵極。舉例來說，可以讓柵極120與金屬圖案層150皆與薄膜晶體管陣列的掃描線相接，以再進(jìn)一步降低薄膜晶體管100在關(guān)閉時(shí)的漏電流。另外一種應(yīng)用可以讓金屬圖案層150與起始電壓(threshold voltage)的調(diào)節(jié)(modulation)電路連接,貝U可以即時(shí)改變或控制薄膜晶體管100起始電壓的大小。
[0056]上述薄膜晶體管100，亦可應(yīng)用在制造顯示裝置的陣列基板上。請參考圖2，圖2為一顯示裝置的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。在圖2中，顯示裝置200具有一陣列基板210、一對向基板220與位于前述兩者之間的顯示層230。上述的陣列基板210具有由前述薄膜晶體管所組成的薄膜晶體管陣列，而對向基板220則相對于陣列基板210而設(shè)置。上述的顯示層230例如可為電子墨水層、液晶層或其他可用的顯示材料。
[0057]由上述本發(fā)明實(shí)施方式可知，由于利用金屬材料來做為薄膜晶體管金屬氧化物半導(dǎo)體層的金屬圖案層，因此可以有效地隔絕外界中水、氧及光對金屬氧化物半導(dǎo)體層的影響，并維持薄膜晶體管特性的穩(wěn)定。此外，由于做為通道的金屬氧化物半導(dǎo)體層上方多了一層金屬圖案層，因此金屬圖案層可以做為第二個(gè)柵極，應(yīng)用來抑制薄膜晶體管關(guān)閉時(shí)的漏電流，或是用來即時(shí)調(diào)整薄膜晶體管的起始電壓。
[0058]雖然本發(fā)明已以實(shí)施方式揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動(dòng)與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視所附的權(quán)利要求書所界定的范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種薄膜晶體管，其特征在于，包括: 一柵極，位于一基底上； 一柵絕緣層，位于該柵極與該基底上； 一金屬氧化物半導(dǎo)體層，位于該柵絕緣層上； 一絕緣層，位于該金屬氧化物半導(dǎo)體層上； 一源極與一漏極分別位于該金屬氧化物半導(dǎo)體層的兩側(cè)且連接于該金屬氧化物半導(dǎo)體層；以及 一金屬圖案層，位于該絕緣層上，其中該金屬圖案層與該源極及該漏極之間分別具有一開口，以暴露一部分該金屬氧化物半導(dǎo)體層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，被所述開口暴露的該部分金屬氧化物半導(dǎo)體層的氧空缺密度大于未被所述開口暴露的其余該金屬氧化物半導(dǎo)體層的氧空缺密度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，該金屬圖案層的材料為鋁、銅、鈦、鑰或鉻化鑰。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，還包括一保護(hù)層，覆蓋該源極、該漏極、該金屬圖案層與 該金屬氧化物半導(dǎo)體層。
5.一種薄膜晶體管的制造方法，其特征在于，包括: 形成一柵極于一基底上； 形成一柵絕緣層于該柵極與該基底上； 形成一金屬氧化物半導(dǎo)體層于該柵絕緣層上； 形成一絕緣層于該金屬氧化物半導(dǎo)體層上； 形成一金屬層覆蓋于該金屬氧化物半導(dǎo)體層與該柵絕緣層上；以及圖案化該金屬層，以分別形成一源極與一漏極于該金屬氧化物半導(dǎo)體層的兩側(cè)，并形成一金屬圖案層于該絕緣層上，其中該金屬圖案層與該源極及該漏極之間分別具有一開口，以暴露一部分該金屬氧化物半導(dǎo)體層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的薄膜晶體管的制造方法，其特征在于，還包括形成一保護(hù)層覆蓋該源極、該漏極、該金屬圖案層與該金屬氧化物半導(dǎo)體層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的薄膜晶體管的制造方法，其特征在于，還包括執(zhí)行一熱退火制程于圖案化該金屬層的步驟與形成該保護(hù)層的步驟之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的薄膜晶體管的制造方法，其特征在于，形成該保護(hù)層的步驟包括執(zhí)行一等離子轟擊制程，以使被所述開口暴露的該部分金屬氧化物半導(dǎo)體層的氧空缺密度大于未被所述開口暴露的其余該金屬氧化物半導(dǎo)體層的氧空缺密度。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的薄膜晶體管的制造方法，其特征在于，還包括執(zhí)行一熱退火制程于圖案化該金屬層的步驟前。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的薄膜晶體管的制造方法，其特征在于，圖案化該金屬層的步驟包括執(zhí)行一蝕刻制程，以使被所述開口暴露的該部分金屬氧化物半導(dǎo)體層的氧空缺密度大于未被所述開口暴露的其余該金屬氧化物半導(dǎo)體層的氧空缺密度。
11.一種陣列基板，其特征在于，包括: 一基底；以及一薄膜晶體管，設(shè)置于該基底上，該薄膜晶體管包括:一柵極，位于一基底上；一柵絕緣層，位于該柵極與該基底上；一金屬氧化物半導(dǎo)體層，位于該柵絕緣層上；一絕緣層，位于該金屬氧化物半導(dǎo)體層上；一源極與一漏極分別位于該金屬氧化物半導(dǎo)體層的兩側(cè)且連接于該金屬氧化物半導(dǎo)體層；以及一金屬圖案層，位于該絕緣層上，其中該金屬圖案層與該源極及該漏極之間分別具有一開口，以暴露一部分該金屬氧化物半導(dǎo)體層。
12.—種顯示裝置，其特征在于，包括: 一陣列基板，其包括一基底以及一薄膜晶體管，該薄膜晶體管設(shè)置于該基底上，該薄膜晶體管包括:一柵極，位于一基底上；一柵絕緣層，位于該柵極與該基底上；一金屬氧化物半導(dǎo)體層，位于該柵絕緣層上；一絕緣層，位于該金屬氧化物半導(dǎo)體層上；一源極與一漏極分別位于該金屬氧化物半導(dǎo)體層的兩側(cè)且連接于該金屬氧化物半導(dǎo)體層；以及一金屬圖案層，位于該絕緣層上，其中該金屬圖案層與該源極及該漏極之間分別具有一開口，以暴露一部分該金屬氧化物半導(dǎo)體層； 一對向基板，相對該陣列基板設(shè)置；以及 一顯不層，位于該陣列基板與該對向電極基板之間。
【文檔編號(hào)】H01L21/336GK103840010SQ201310298401
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2013年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月21日
【發(fā)明者】陳蔚宗, 辛哲宏, 蔡娟娟, 楊智翔, 葉佳俊, 唐文忠 申請人:元太科技工業(yè)股份有限公司